一种新型偏振非制冷红外焦平面探测器及其制备方法与流程

本发明属于半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，具体涉及一种新型偏振非制冷红外焦平面探测器及其制备方法。

背景技术：

非制冷红外焦平面阵列探测器的单元通常采用悬臂梁微桥结构，利用牺牲层释放工艺形成微桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。现在对探测器的分辨率要求越来越高，阵列要求越来越大，如果芯片的尺寸不变，则像元越来越小，对像元的平坦度要求会越来越高；两侧微桥结构需要两层牺牲层，两层牺牲层吸收的能量较多，但是两层牺牲层对平坦度的要求更高；但是传统双层工艺牺牲层需要蚀刻两次，由于蚀刻过第一层牺牲层的原因，蚀刻完后晶圆表面不平整，影响第二层牺牲层涂覆。

随着像元尺寸的逐步缩小，入射到红外像元中的红外辐射能量以平方率的方式缩小。当像元尺寸由25微米下降到17微米时，入射能量降低一倍；当像素降低至12微米时，入射能量仅为25微米的25％。

另外，在现有的偏振探测系统中，偏振元件独立于探测器之外，需要在整机的镜头上增加偏振片，或者进行偏振镜头的设计，这种方法的成本比较高，设计难度也比较大；通过旋转偏振元件获取偏振信息，这种现有的偏振探测系统的缺点是：光学元件复杂，而且光路系统复杂。通过偏振片与探测器组合采集的偏振图像需要通过图像融合算法进行处理，不仅复杂而且也相对不准确。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种结构不容易产生形变、且具备偏振性能的双层新型偏振非制冷红外焦平面探测器，技术方案如下：一种新型非制冷红外焦平面探测器，包括一包含读出电路的半导体基座和一具有微桥支撑结构的探测器本体，所述探测器本体与所述半导体基座的读出电路形成电连接；所述探测器本体包括金属反射层、绝缘介质层、支撑层、保护层、金属电极层和热敏层，所述金属反射层包括若干金属块，所述支撑层包括第一支撑层和第二支撑层，所述保护层包括第一保护层和第二保护层；

所述半导体基座的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；

所述第一支撑层设置在所述绝缘介质层的上方，所述第一支撑层上方依次设置热敏层、第一保护层和第二支撑层；

所述第一保护层和第二支撑层上设有接触孔，所述接触孔的下端终止于所述热敏层，所述接触孔内充满所述金属电极；

所述第二支撑层上还设有通孔，所述通孔的下端终止与所述金属块，所述通孔内充满所述金属电极；所述金属电极层上设有第二保护层；

所述第二保护层上设有偏振结构，所述偏振结构包括光栅支撑层和设置在所述光栅支撑层上金属光栅结构。

本发明中一种新型偏振非制冷红外焦平面探测器的有益效果是：

(1)采用微桥倒置，微桥下面没有支撑桥墩，结构不容易产生变形，对应力控制容忍度更高，工艺更容易控制；采用了三层微桥结构，第一层为红外辐射吸收结构，第二层为热绝缘微桥结构，第三层为偏振结构，有效提升像素的填充系数及提高入射红外辐射的吸收效率；

(2)通过将偏振结构与非制冷红外焦平面探测器进行单片集成，不仅可以实现偏振红外探测器的单片集成，而且极大的降低了光学设计的难度，简化了光学系统，减少了光学元件，降低了光学系统的成本；

(3)通过单片集成的新型偏振非制冷红外焦平面探测器采集的图像为原始红外图像信息，读出电路只需要处理探测器探测的信号就可以得到准确的图像信息，而不需要进行现有探测器的图像融合，极大的提升了图像的真实性与有效性；

(4)金属光栅不会与热敏薄膜接触，不会造成红外敏感微桥结构的形变，不会影响敏感薄膜的热敏特性。

进一步，所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层和设置在所述第一光栅支撑层上的第二光栅支撑层，所述第一光栅支撑层为氮化硅层，所述第二光栅支撑层为二氧化硅层，且厚度均为0.10～0.30μm。

进一步，所述金属光栅结构包括若干个依次排列的光栅，所述光栅为直线型或弯曲型，相邻所述光栅之间的间隔为10～500nm。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：金属光栅结构可以增强特定波段的红外光的吸收，通过调整光栅结构的金属条的宽度或者间距，可以改变被增强红外波段；金属光栅结构作为偏振结构，可以将不同方向的干扰波进行屏蔽过滤，只允许目标波通过该结构，这样就可以增强对比度，从而能够使目标的轮廓特性更明显。

进一步，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述保护层为氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒薄膜或氧化钛薄膜。

进一步，所述热敏层的厚度为热敏层方阻为50～5000kω，所述热敏层采用氧化钒，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时，先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用v/v2o5/v薄膜。

进一步，金属反射层的厚度为反射层金属对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上。

本发明还涉及上述新型偏振非制冷红外焦平面探测器的制备方法，涂覆第二层牺牲层时，第一层牺牲层还没有进行蚀刻，晶圆表面非常平整，后续两层牺牲层可以连续进行蚀刻。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新型非制冷红外焦平面探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属层形成若干个金属块；金属块与半导体基座上的读出电路电连接；在完成图形化金属层上沉积绝缘介质层；

步骤2：在所述的绝缘介质层上依次沉积第一牺牲层、第一支撑层、热敏层和第一保护层，所述第一支撑层为低应力氮化硅薄膜，所述第一保护层为低应力氮化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒或氧化钛薄膜；

步骤3：对第一支撑层和第一保护层进行图形化处理，光刻第一支撑层和第一保护层直至接触第一牺牲层，完成图形化处理后，在暴露的第一牺牲层和图形化处理后第一保护层上沉积第二牺牲层，所述第一牺牲层和第二牺牲层采用聚酰亚胺或者非晶碳；

步骤4：对第一牺牲层和第二牺牲层进行图形化处理，并形成第一锚点孔、第二锚点孔和第三锚点孔，所述第一锚点孔、第二锚点孔和第三锚点孔的剖面均为梯形结构，并在完成图形化处理的第一牺牲层和第二牺牲层上沉积第二支撑层，所述第二支撑层是氮化硅薄膜；

步骤5：在沉积完二支撑层的半导体基座上通过光刻和蚀刻的方法刻通孔，通孔蚀刻终止于所述金属块；

步骤6：同时光刻或蚀刻第二支撑层和第一保护层以得到接触孔，接触孔光刻和蚀刻终止于所述热敏层；

步骤7：在形成的接触孔内和图形化后第二支撑层上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化处理，利用光刻或蚀刻的方法得到金属电极图形；在得到的金属电极图形上沉积第二保护层，所述第二保护层为低应力氮化硅薄膜；

步骤8:利用光刻和蚀刻第二保护层和第二支撑层，形成钝化层图形，所述蚀刻终于第二牺牲层；

步骤9：在第二保护层上沉积光栅牺牲层，并对光栅牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的光栅牺牲层上沉积光栅支撑层；

步骤10：在所述光栅支撑层上制备金属光栅结构；

步骤11：结构释放，释放光栅牺牲层、第一牺牲层和第二牺牲层，形成新型偏振非制冷红外焦平面探测器。

本发明中一种新型偏振非制冷红外焦平面探测器的制备方法的有益效果是：

涂覆第二层牺牲层时，第一层牺牲层还没有进行蚀刻，晶圆表面非常平整，两层牺牲层可以连续进行蚀刻；

使用两层牺牲层，吸收的能量更高，且涂覆第二层牺牲层前，第一层牺牲层还没有进行蚀刻，晶圆表面非常平整，后续两层牺牲层可以连续进行蚀刻；

在探测器上添加一层金属光栅结构，不仅可以实现增加红外吸收的效果，而且单独悬空的金属光栅结构不会造成红外敏感微桥结构的形变，不会影响敏感薄膜的热敏特性。

进一步，所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层和第二光栅支撑层，所述第一光栅支撑层为氮化硅层，所述第二光栅支撑层为氧化硅层，沉积光栅支撑层时，先沉积第一光栅支撑层，接着在第一光栅支撑层上沉积第二光栅支撑层。

进一步，所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度为1.0～2.5μm。

进一步，所述第一支撑层的厚度为

进一步，所述的热敏层的厚度为热敏层方阻为50～5000kω，所述热敏层采用氧化钒，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时，先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用v/v2o5/v薄膜。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在沉积热敏层时，即沉积氧化钒薄膜的时候，先沉积一层很薄的v/v2o5/v薄膜，在沉积热敏薄膜氧化钒，经过后续的高温工艺或者退火工艺v/v2o5/v薄膜形成氧化钒薄膜，能够降低器件噪声。

进一步，步骤6中使用sf6、chf3、o2或cf4、o2作为蚀刻气体，并使用终点监测设备对蚀刻反应进行监控。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：热敏薄膜厚度较薄，需要使用终点监测设备进行蚀刻反应结束监控，以免将热敏薄膜全部蚀刻干净。

进一步，步骤10中，制备金属光栅结构时，先在光栅支撑层上旋涂光刻胶或pi，利用光刻技术在光刻胶涂层或pi涂层上得到光栅图形，光栅间隔10～500nm，然后，利用物理气相沉积或溅射在光刻好的光刻胶或pi涂层上沉积或溅射金属薄膜，最后，利用剥离工艺去除光刻胶或pi涂层，并将多余的金属薄膜剥离，所述金属薄膜为金、铜、铝、钛、镉或铬，厚度为10～500nm。

进一步，步骤10中，制备金属光栅结构时，先利用物理气相沉积或溅射在光栅支撑层上沉积或者溅射一层金属薄膜，再利用干法刻蚀工艺刻蚀光栅图形，使相邻所述光栅之间的间隔为10～500nm。

进一步，所述第一保护层和第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。

附图说明

图1为本发明金属反射层和绝缘介质层形成示意图；

图2为本发明第一牺牲层形成示意图；

图3为本发明热敏层形成示意图；

图4为本发明第二牺牲层形成示意图；

图5为本发明第二支撑层图形化后的示意图；

图6为本发明通孔和接触孔形成示意图；

图7为本发明金属电极层形成示意图；

图8为本发明中金属光栅结构形成示意图；

图9为本发明中探测器的结构示意图；

图10为本发明中直线型金属光栅结构的示意图；

图11为本发明中左向弯曲型金属光栅结构的示意图；

图12为本发明中右向弯曲型金属光栅结构的示意图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、半导体基座，2、金属反射层，3、金属块，4、绝缘介质层，5、第一牺牲层，6、第一支撑层，7、热敏层，8、第一保护层，9、第二牺牲层，10、第二支撑层，11、通孔，12、接触孔，13、金属电极层，14、第二保护层，15、第一锚点孔，16、第二锚点孔，17、第三锚点孔，18、光栅牺牲层，19、第一光栅支撑层，20、第二光栅支撑层，21、光栅。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提出了一种新型偏振非制冷红外焦平面探测器，如图9所示，采用微桥倒置，结构不容易产生形变，对应力控制容忍度更高，工艺更容易控制；采用了两层微桥结构，第一层为红外辐射吸收结构，第二层为热绝缘微桥结构，有效提升像素的填充系数及提高入射红外辐射的吸收效率。

一种新型偏振非制冷红外焦平面探测器，包括一包含读出电路的半导体基座1和一具有微桥支撑结构的探测器本体，所述探测器本体与所述半导体基座的读出电路形成电连接；所述探测器本体包括金属反射层2，绝缘介质层4、支撑层、保护层、金属电极层和热敏层7，所述支撑层包括第一支撑层6和第二支撑层10，所述保护层包括第一保护层8和第二保护层14；

所述半导体基座1的读出电路上依次设置有金属反射层2和绝缘介质层4，所述金属反射层2包括若干个金属块3；

所述第一支撑层6设置在所述绝缘介质层4的上方，所述第一支撑层6上方依次设置热敏层7、第一保护层8和第二支撑层10；

所述第一保护层8和第二支撑层10上设有接触孔12，所述接触孔12的下端终止于所述热敏层7，所述接触孔12内充满所述金属电极；

所述第二支撑层10上还设有通孔11，所述通孔11的下端终止与所述金属块3，所述通孔11内充满所述金属电极；所述金属电极层13上设有第二保护层14；

所述第二保护层14上设有偏振结构，所述偏振结构包括光栅支撑层和设置在所述光栅支撑层上金属光栅结构；

所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层19和设置在所述第一光栅支撑层19上的第二光栅支撑层20，所述第一光栅支撑层19为氮化硅层，所述第二光栅支撑层20为二氧化硅层，且厚度均为0.10～0.30μm；

所述金属光栅结构包括若干个依次排列的光栅21，所述光栅21为直线型或弯曲型，相邻所述光栅21之间的间隔为10～500nm。

所述绝缘介质层4为氮化硅薄膜，所述支撑层为氮化硅薄膜，所述保护层为氮化硅薄膜，所述热敏层7为氧化钒薄膜，所述热敏层的厚度为热敏层方阻为50～5000kω，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时，先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用v/v2o5/v薄膜。

实施例1

本发明提出了一种新型非制冷红外焦平面探测器像素结构制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在包含读出电路半导体基座1上制作金属反射层2；并对金属层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块3；金属块3与半导体基座1上的读出电路电连接；在完成图形化金属反射层2上沉积绝缘介质层4；金属反射层2的厚度为反射层金属对波长为8～14um的红外光的反射率在99％以上；所述的绝缘介质层4为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为

步骤2：在所述的绝缘介质层4上依次沉积第一牺牲层5、第一支撑层6、热敏层7和第一保护层8，所述第一支撑层6为氮化硅薄膜，所述第一保护层8为低应力氮化硅薄膜，所述热敏层7为氧化钒或氧化钛薄膜，所述第一牺牲层5和第二牺牲层9的厚度为1.0～2.5um；第一支撑层6的厚度为所述的热敏层7的厚度为热敏层7方阻为50～5000kω，所述热敏层7采用氧化钒，所述氧化钒热敏层采用电子束蒸发、激光蒸发、离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积，沉积时，先沉积一层厚度为的过渡层，所述过渡层采用v/v2o5/v薄膜，如图2、3所示。

步骤3：对第一支撑层6和第一保护层8进行图形化处理，光刻第一支撑层6和第一保护层8直至接触第一牺牲层5，完成图形化处理后，在暴露的第一牺牲层5和图形化处理后第一保护层8上沉积第二牺牲层9，所述第一牺牲层5和第二牺牲层9采用聚酰亚胺或者非晶碳，如图4所示。

步骤四：同时对第一牺牲层5和第二牺牲层9进行图形化处理，并形成第一锚点孔16、第二锚点孔17和第三锚点孔18，所述第一锚点孔16、第二锚点孔17和第三锚点孔18的剖面均为梯形结构，并在完成图形化处理的第一牺牲层5和第二牺牲层9上沉积第二支撑层10，所述第二支撑层10是氮化硅薄膜，如图5所示。

步骤5：在沉积完的第二支撑层10的半导体基座上方通过光刻和蚀刻的方法刻通孔11，通孔11蚀刻终止于金属块3，如图6所示。

步骤6：光刻或蚀刻第二支撑层10和第一保护层8以得到接触孔12，接触孔12光刻和蚀刻终止于所述热敏层7；使用sf6、chf3、o2或cf4、o2作为蚀刻气体，并使用终点监测设备对蚀刻反应进行监控，如图6所示。

步骤7：在形成的接触孔12内和图形化后第二支撑层10上沉积金属电极层，并对金属电极层13进行图形化处理，利用光刻或蚀刻的方法得到金属电极图形；在得到的金属电极图形上沉积第二保护层14，所述第二保护层14为低应力氮化硅薄膜；所述第一保护层8和第二保护层14都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的，如图7所示。

步骤8:利用光刻和蚀刻第二保护层14和第二支撑层10，形成钝化层图形，所述蚀刻终于所述第二牺牲层。

步骤9：在第二保护层上沉积光栅牺牲层，并对光栅牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的光栅牺牲层上沉积光栅支撑层，所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层19和第二光栅支撑层20，所述第一光栅支撑层19为氮化硅层，所述第二光栅支撑层20为氧化硅层，沉积光栅支撑层时，先沉积第一光栅支撑层21，接着在第一光栅支撑层21上沉积第二光栅支撑层20。

步骤10：在所述光栅支撑层上制备金属光栅结构，先在光栅支撑层上旋涂光刻胶或pi，利用光刻技术在光刻胶涂层或pi涂层上得到光栅图形，光栅图形可以是直线型，也可以是弯曲型，如图10-12所示，其角度可以改变，并不仅限于图10-12中所表示的几种，光栅间隔10～500nm，然后，利用物理气相沉积或溅射在光刻好的光刻胶或pi涂层上沉积或溅射金属薄膜，最后，利用剥离工艺去除光刻胶或pi涂层，并将多余的金属薄膜剥离，所述金属薄膜为金、铜、铝、钛、镉或铬，厚度为10～500nm，如图8所示。

步骤11：结构释放，释放光栅牺牲层、第一牺牲层和第二牺牲层，形成新型偏振非制冷红外焦平面探测器，如图9所示。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：步骤10中，制备金属光栅结构时，先利用物理气相沉积或溅射在光栅支撑层上沉积或者溅射一层金属薄膜，再利用干法刻蚀工艺刻蚀光栅图形，光栅图形可以是直线型，也可以是弯曲型，如图10-12所示，其角度可以改变，并不仅限于图10-12中所表示的几种，使相邻所述光栅之间的间隔为10～500nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。